非晶态钴修饰磷酸铁(Co–FePO4 )的简易合成及其高效电催化水分解性能研究

本研究针对贵金属电催化剂成本高、稳定性差的问题，通过水热法合成非晶态钴修饰磷酸铁(Co–FePO4 )材料，实现OER（320 mV）和HER（174 mV）的低过电位，Tafel斜率分别达64 mV dec?1 和93 mV dec?1 ，稳定性超过40小时，为清洁能源技术提供新型高效催化剂。

　　

随着全球工业化进程加速，化石燃料依赖导致的生态环境问题日益严峻。氢能因其零碳排放特性被视为最具潜力的清洁能源载体，而电催化水分解技术是实现绿色制氢的关键途径。然而，当前主流贵金属催化剂（如Pt、IrO₂
）存在成本高昂、资源稀缺等瓶颈，开发高效稳定的非贵金属催化剂成为研究焦点。过渡金属磷酸盐因其独特的电子结构和磷酸根基团辅助的质子耦合电子转移机制备受关注，其中磷酸铁(FePO₄
)虽具有成本优势，但受限于电子-空穴复合率高的问题。

沙特阿拉伯国王科技大学的研究团队通过低温水热法成功制备非晶态钴修饰磷酸铁(Co–FePO₄
)，系统考察其电催化性能。研究显示该材料在10 mA cm^?2
电流密度下，析氧反应(OER)和析氢反应(HER)过电位分别仅为320 mV和174 mV，Tafel斜率显著低于同类催化剂（OER: 64 mV dec^?1
, HER: 93 mV dec^?1
），并通过40小时稳定性测试。相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为设计低成本、高性能双功能电催化剂提供新思路。

关键技术方法包括：1）以尿素为沉淀剂、十二烷基硫酸钠(SDS)为模板的低温水热合成；2）X射线衍射(XRD)表征非晶结构；3）电化学阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安法(LSV)和循环伏安法(CV)评估催化性能；4）计时电流法测试长期稳定性。

【材料合成】采用80°C低温水热反应，通过钴掺杂调控FePO₄
电子结构，XRD宽峰证实非晶特征，比表面积增加提供更多活性位点。

【电化学性能】LSV测试显示Co–FePO₄
/GC电极在1 M KOH中表现出显著提升的催化活性，OER过电位较纯FePO₄
降低28%，HER性能接近商业Pt/C催化剂。EIS证实电荷转移电阻(R_ct
)降低60%，表明钴掺杂优化电子传输路径。

【稳定性机制】计时电流法揭示材料在40小时HER和32小时OER测试后电流密度保持率超90%，非晶结构有效抑制金属溶出和相变，磷酸根基团通过PCET（质子耦合电子转移）稳定反应中间体。

该研究证实钴工程化策略可显著提升FePO₄
的本征活性，非晶结构暴露更多不饱和配位点促进H₂
O分子吸附解离。与文献报道的NiFe硫磷化物（230 mV@50 mA cm^?2
）和P–MoO₃
/FeCo LDH（225 mV@10 mA cm^?2
）相比，Co–FePO₄
在过电位与稳定性平衡方面具有竞争优势。研究为过渡金属磷酸盐催化剂设计提供普适性方法，其简易合成路线利于规模化应用，对推动可再生能源-氢能转换系统商业化具有重要实践意义。